2023年7月26-28日，Green Carbon首届编委会暨2023国际绿碳科学大会在青岛召开。Green Carbon编委、日本工程院院士、日本国立富山大学椿范立教授应邀出席并做题为“C1化学新技术”的主旨报告。
在首届编委会上，椿范立教授指出，期刊发展的最初三年非常关键，首要任务应该是邀请高质量的投稿，而作为编委，应该为服务新期刊贡献力量，尽自己所能为期刊供稿并邀请领域专家投稿。
化石资源的大量使用带来了日益严峻的环境污染和能源短缺问题，发展低碳高效的催化转化技术，将C1分子（CO₂，CH₄，CO，CH₃OH等）转化清洁燃料和高值化学品，已成为世界各国应对能源环境问题，实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。日本工程院院士、日本国立富山大学椿范立教授通过对课题组近年来在C1化学新反应、新催化剂体系、新反应器等领域开发工作的介绍，对C1化学新技术的发展和应用进行了解读和展望。
C1化学新技术
CO₂在胶囊催化剂上转化直接制备对二甲苯
对二甲苯是石化工业芳烃产业链的重要基础化工原料，主要用于生产聚酯（PET）、药物中间体等，在材料、纺织、医药等领域有着十分广泛的应用。目前，随着全球能源产品绿色化程度要求的不断提高，石油炼制为主的对二甲苯不能满足产品的绿色化要求，发展新型对二甲苯制备技术已成为材料化工领域的迫切需求。
合成气（CO+H₂）是贯通非石油基碳资源和其他基本化学品的关键连接点，经合成气可将CO₂、生物质等含碳资源转化为芳烃、烯烃、醇等化学品和洁净燃料。传统合成气催化转化路线研究主要集中于碳数调控、产物分子调控的“间接”、“多步”过程，从合成气出发，经过多步反应后，最终获得目标产物。而发展新型“直接”、“一步”合成气催化转化新路线，与传统路线相比，可打破化学反应平衡，提高转化效率，简化反应工艺。
设计胶囊催化剂，将费托合成、异构化、裂化反应所需活性位集中于一个胶囊，可实现目标反应的一步进行。有别于传统多种催化剂混合方案，对于胶囊催化剂，由内部核催化剂生成的中间体必须通过外部的壳催化剂进行扩散，因此可以有效的增强中间产物与壳催化剂的接触传质，并且壳催化剂的空间限域效应可有效提高目标产物选择性。
针对合成气、CO₂制对二甲苯过程，传统过程需要至少六步反应，包括：甲醇生成、二甲醚生成、低碳烃生成、低碳烃芳构化、芳烃制二甲苯、二甲苯异构化制对二甲苯等。椿范立教授课题组设计了一种新型催化剂可将六步反应一步进行，实现由C1分子到C8分子的直接制备。该新型催化剂由铬基催化剂活性组分和具有胶囊结构的分子筛催化剂活性组分构成，催化剂中的两种活性组分有机组合，相互促进、协调完成从合成气直接制对二甲苯的反应过程。首先合成气在铬基催化剂活性组分上被首先转化生成甲醇中间体，生成的甲醇中间体扩散到壳层分子筛组分上生成芳烃，芳烃进一步在分子筛孔道发生加成反应生成二甲苯，通过控制分子筛外表面酸性抑制对二甲苯异构化，实现对二甲苯的高选择性制备。
椿范立教授已与新日铁，千代田，三菱等企业合作，以CO₂为原料，计划于2027年前建成50万吨/年零碳对二甲苯商业工厂。目前，石油炼制对二甲苯需求量为5000万吨/年（其中70%用作衣服，30%用于饮料瓶等容器），如果这种PET可以从二氧化碳来制取，可实现二氧化碳减排量约1.5亿吨/年（约占日本年二氧化碳排放量的1/10）。
费托合成制航油过程
费托合成是将合成气转化为液体燃料的过程，费托过程中产物多为线性分子且遵循ASF分布，这往往导致产物中目标油品的选择性存在理论上限，即汽油~48%，航油~41%，柴油~40%。而实际油品中，航油多以C11异构烃分子为主，汽油多以C8异构烃分子为主，柴油多以C16直链烃为主。这就要求我们对直接费托合成产物进行精制，满足油品分子的需求和提高产物选择性。
椿范立教授课题组发展了一种新型的金属与分子筛耦合的双功能催化剂，通过调节产物碳数和分子结构，实现了汽油选择性达74%，航油选择性达72%，柴油选择性达58%，突破了传统费托产物选择性理论上限，且产物中烃类分子结构可以满足目标油品需求。基于此，椿范立教授进一步修订了合成气转化产物分布的理论模型。
金属3D打印自催化反应器
催化剂和反应器是催化工程的两个重要组成部分。近年来，催化剂的发展越来越倾向于小型化，开发了纳米催化剂、单原子催化剂等。而催化工厂倾向于大型化，迄今为止，催化剂和反应器的研究仍是两个不同的方向，将催化剂与反应器功能相结合以有效控制化学反应的研究却很少。
椿范立教授课题组通过3D打印技术制备了三种SCRs(self-catalytic reactor, Fe-SCR、Co- SCR、Ni-SCR)，实现了C1分子(包括CO、CO₂、CH₄)直接转化为高附加值化学品。在高压FT合成和CO₂加氢过程中，Fe-SCR和Co-SCR具有很高的液体燃料选择性；Ni-SCR可实现CO₂和CH₄高效重整转化。此外，对Co-SCRs的结构研究表明，金属3D打印本身可以增强催化剂和反应器之间的协同作用，并建立多种控制功能来调整催化产物的分布。未来这种高效的催化系统可实现规模化和灵活性的统一，有望在远海等资源丰富地方进行移动式化工生产。
目前，基于以上催化剂，椿范立教授课题组已在日本、泰国等地建成多座中试、示范工厂，并实现了规模化运行，已生产出绿色航油、汽油、液化石油气等多种产品，为绿碳能源技术的规模化验证和产业应用奠定了良好的基础。
未来，椿范立教授认为CO₂和H₂含有的C、O、H元素，为几乎所有的有机产品（化学品和能源产品）提供了基础原料，这为碳资源的绿色循环利用奠定了充分的原料基础。目前的CO₂热催化转化过程中，往往存在低温导致CO₂转化率低，高温抑制产物碳链增长的矛盾。在不同的C1化学转化路线中，经过甲醇的转化路径需要以突破热力学限制为目标；经过费托合成的转化路径需要以提高目标产物的选择性为目标。C1化学是大型反应器行业，需要缩小规模以节省能源和成本、降低CO₂排放，微型反应器设备（如金属3D打印SCR技术）是实现这一目标的重要方向。
椿范立 院士
椿范立(Noritatsu Tsubaki)，日本工程院院士，日本国立富山大学工学部能源化工讲座教授，博士生导师，富山大学可持续科技研究中心主任，日本学术会议第三学部会员。曾获日本文部科学大臣表彰科学技术奖，日中科学技术交流协会奖，日本催化学会和日本能源学会学会奖(终身成就奖)，中国石油和化学工业联合会国际合作奖等奖项10余项。担任日本石油产业技术中心---合成燃料海外调查研究委员会委员长，日本天然气研究会会长，J. Enerey Chem.国际编委，在Nat. Catal., Nat. Commun., ACR, JACS等国际著名学术期刊发表论文500多篇，全球能源领域高被引科学家，著书9本，授权日本发明专利60余项，建立示范工厂7座。近5年获得日本NEDO、外务省国际协力机构、日本学术振兴会、本田汽车等资助项目40余项。长期从事碳基能源催化转化体系开发工作，在新型、高效能源转化材料创制，高附加值化学品合成新反应路线探索方面取得了具有国际引领性的科研成果。
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